Sonda Fluorescente Baseada em Fenantrolina Altamente Seletiva para Detecção de Alcalinidade Extrema (pH > 14) em Água

Resumo

Detectar alcalinidade extrema (pH > 14) em meios aquosos permanece um desafio formidável para indicadores de pH e eletrodos convencionais. Relatamos um derivado de fenantrolina solúvel em água, BMIP, que exibe solubilidade de 8 mg mL⁻¹ em água pura e resposta de fluorescência rápida e altamente seletiva a concentrações de hidróxido entre 3 e 6 mol L⁻¹. Em 10 s, o BMIP converte de um estado incolor, não luminescente, para fluorescência amarela brilhante (λ_em ≈ 525 nm) sob exposição a pH > 14, enquanto permanece inerte a um amplo painel de íons competidores e a todos os outros valores de pH (2 ≤ pH ≤ 13,9). O desempenho do sensor — alta seletividade, baixo limite de detecção, excelente anti-interferência e linearidade quantitativa (R² = 0,996) — está enraizado em um mecanismo de emissão aumentada por agregação induzida por desprotonação (AIE) confirmado por estudos de absorção, fluorescência e ¹H-RMN. O BMIP estabelece, portanto, um novo padrão para detecção aquosa em tempo real de alcalinidade extrema em ambientes industriais e ambientais.

Introdução

Indústrias como fabricação de papel, reprocessamento de combustível nuclear, tratamento de águas residuais, processamento de couro e extração mineral rotineiramente operam sob condições alcalinas extremas (pH > 14). Monitoramento preciso em tempo real dos níveis de hidróxido nestes processos é essencial para segurança, controle de processo e conformidade ambiental. Tiras de teste de pH tradicionais falham nesta faixa, ficando uniformemente azul-escuro, enquanto medidores de pH de eletrodo de vidro produzem leituras não confiáveis devido a potencial de junção e limitações de troca iônica. Sondas fluorescentes oferecem alternativa atraente, mas a maioria dos sistemas relatados visa pH 2–13, deixando o regime alcalino amplamente não abordado. Sondas alcalinas existentes frequentemente requerem co-solventes orgânicos, exibem baixa sensibilidade, ou sofrem de mecanismos fotofísicos complexos que limitam análise quantitativa.

1H-imidazo[4,5-f][1,10]fenantrolina (IP) é um heterociclo rígido, planar, com fortes propriedades de transporte de carga e fluorescência intrínseca. Sua funcionalidade NH pode reagir com hidróxido, enquanto o escafólido aromático confere boa fotostabilidade. Ao apender dois grupos trietileno glicol monometil éter (TEG-MeO), desenhamos BMIP — um derivado totalmente solúvel em água que combina a capacidade de reconhecimento do IP com o poder solubilizante de cadeias PEG. A sonda resultante exibe combinação sem precedentes de características: (i) solubilidade aquosa de 25 mg mL⁻¹, (ii) detecção seletiva de hidróxido, (iii) fluorescência turn-on impulsionada por AIE, e (iv) tempos de resposta rápidos adequados para monitoramento de processo.

Resultados e Discussão

Síntese, Solubilidade e Concentração Ótima da Sonda

BMIP foi sintetizado em três etapas via rota convergente partindo de trietileno glicol monometil éter e 1,10-fenantrolina-5,6-diona (Esquema 1). O produto final foi isolado como sólido gelatinoso vermelho-claro (rendimento 83%) e dissolveu-se prontamente em água, alcançando solubilidade de 25 mg mL⁻¹ (≈ 0,4 mmol L⁻¹). Avaliamos concentrações de BMIP variando de 2 × 10⁻⁵ a 4 × 10⁻³ mol L⁻¹ e determinamos que 1 mmol L⁻¹ (10⁻³ mol L⁻¹) forneceu o equilíbrio ótimo entre intensidade de sinal e faixa dinâmica para detecção de hidróxido.

Reconhecimento Seletivo de Alcalinidade Extrema

Para avaliar seletividade iônica, adicionamos 3 mol L⁻¹ de um conjunto diversificado de cátions e ânions — incluindo metais de transição, íons alcalinos e alcalino-terrosos, haletos e oxianions — a uma solução de BMIP 1 mmol L⁻¹. Espectros de fluorescência (λ_em ≈ 525 nm) e inspeção visual sob UV (365 nm) revelaram que apenas a adição de NaOH a pH > 14 induziu mudança de cor pronunciada de incolor para amarelo-alaranjado e aumento de fluorescência de 1000 vezes. Todos os outros íons produziram perturbações espectrais negligenciáveis (Fig. 2), confirmando seletividade excepcional para hidróxido.

Capacidade Anti-Interferência

Desafiamos ainda a sonda introduzindo sais industriais comuns (KCl, Na₂SO₄, NaNO₂, NaNO₃, NaClO₄, NaBr, KI) em uma mistura BMIP-NaOH. A intensidade de fluorescência variou em menos de 5% com a adição de cada sal, demonstrando desempenho robusto anti-interferência (Fig. 2d).

Resposta Dependente de pH

BMIP exibiu resposta estritamente seletiva a pH: soluções com pH < 14 permaneceram não luminescentes, enquanto um turn-on de fluorescência súbito ocorreu apenas quando a solução atingiu alcalinidade extrema (pH > 14, alcançado com 3 mol L⁻¹ NaOH). Em toda a faixa de pH (2–14), a sonda permaneceu fotoquimicamente silenciosa, assegurando que qualquer sinal detectado reporte inequivocamente presença extrema de hidróxido (Fig. 3).

Detecção Quantitativa e Cinética

Estabelecemos curva de calibração medindo intensidade de fluorescência de BMIP (1 mmol L⁻¹) na presença de 3–6 mol L⁻¹ NaOH. O gráfico de I vs [OH⁻] exibiu excelente linearidade (R² = 0,996) (Fig. 4b), permitindo quantificação precisa de concentração de hidróxido na faixa de 3–6 mol L⁻¹. Medidas resolvidas no tempo mostraram que a resposta de fluorescência atingiu platô dentro de 10 s, satisfazendo o critério de resposta rápida para monitoramento industrial (Fig. 4c).

Repetibilidade

Adição repetida de NaOH, seguida de neutralização com ácido sulfúrico e re-adição de NaOH, produziu perfis de fluorescência idênticos, confirmando que o ciclo de sensoriamento do BMIP é totalmente reversível e altamente reprodutível (Fig. 4d).

Mecanismo de Detecção

Desprotonação do grupo NH do IP por hidróxido gera espécie carregada negativamente (BMIP⁻) que precipita e agrega em meios aquosos. Emissão aumentada por agregação induzida (AIE) explica a fluorescência amarela brilhante observada a pH > 14. ¹H-RMN em D₂O e DMSO-d₆ confirmou o desaparecimento do sinal NH após tratamento com NaOH, corroborando a via de desprotonação. O surgimento de nova banda de absorção próxima a 385 nm a pH ≥ 12,26 suporta ainda a formação de BMIP⁻ (Fig. 5). Os dados fotofísicos combinados confirmam que o reconhecimento de hidróxido procede via processo de duas etapas: desprotonação seguida por AIE.

Conclusão

Desenvolvemos BMIP, uma sonda fluorescente baseada em fenantrolina que oferece seletividade, sensibilidade e capacidade quantitativa superiores para detectar alcalinidade extrema (pH > 14) em água pura. Sua alta solubilidade, resposta rápida (≤ 10 s), robusta anti-interferência e calibração linear clara tornam-na ferramenta prática para monitoramento em tempo real em aplicações industriais e ambientais. O mecanismo de detecção impulsionado por AIE da sonda abre caminhos para projetar sensores alcalinos de próxima geração.

Métodos

Informações Gerais

Todos os reagentes foram comprados comercialmente e usados sem purificação adicional. Espectros RMN foram registrados em instrumento Bruker Avance 400 MHz; dados LC-MS obtidos em Shimadzu LCMS-2020. Medidas de fluorescência empregaram espectrômetro Shimadzu RF-5301 PC. Todas as etapas de síntese foram realizadas sob atmosfera inerte de nitrogênio usando técnicas Schlenk. Experimentos de detecção aquosa foram conduzidos à temperatura ambiente (22 °C) em água desionizada.

Síntese de BMIP

Ver Esquema 1 para rota sintética. O produto final foi purificado por cromatografia em coluna (EtOAc/MeOH 10:1) para dar sólido gelatinoso vermelho-claro (621,29 Da, HRMS). Procedimentos sintéticos detalhados e dados espectrais são fornecidos na Informação Suplementar.

Medidas Fotofísicas

Todos os espectros de fluorescência e absorção foram registrados usando cubeta de quartzo de 1 mm. Para testes de seletividade iônica, soluções de 3 mol L⁻¹ de cada sal foram adicionadas a uma solução de BMIP (1 mmol L⁻¹) de 3 mL e os espectros registrados. Estudos de dependência de pH usaram buffers preparados frescamente variando de 1 mol L⁻¹ HCl a 3 mol L⁻¹ NaOH. Curvas de calibração foram geradas plotando intensidade de fluorescência a 525 nm versus concentração de hidróxido.

Experimentos de Reprodutibilidade e AIE

Todos os experimentos foram realizados em triplicata; desvios padrão < 5%. Para confirmação de AIE, solução BMIP-NaOH foi titulada com NaOH incremental (0,1 mL de 3 mol L⁻¹) enquanto monitorava mudanças de fluorescência.